Pierre Deymier（右）和亞利桑那大學校長Robert C. Robbins在檢查能用聲子造出Bell態的聲學系統。 （圖片來源：Paul Tumarkin，Tech Launch Arizona）
人類在數字時代創造了大量數據——無論通過像社交媒體帖子、郵件和谷歌搜索這樣的日常活動，或是更複雜的關於健康、金融和科學發現的信息。
在Communications Physics發表的一篇論文中，來自亞利桑那大學（University of Arizona）材料科學與工程系（Department of Materials Science and Engineering, MSE）的研究者證明了在經典環境中，聲波能進行量子信息處理且沒有時間和易碎性的限制。
「我們能夠運行我們的系統很多年，」論文的作者之一、MSE研究主任Keith Runge說，「系統非常平穩，以至於我們可以帶它去外面的展會而它不受到一點擾動，在今年早些時候，我們確實這麼做了。」
國際數據公司（International Data Corp.）報道稱，在2018年，全球數據域包含了33ZB，即33萬億GB。他們預測這個數字在2025年會上升到175ZB。將175ZB的信息儲存在DVD中，這些DVD足足可以繞地球轉222圈。
儘管量子計算被標榜為一種能在大數據中智能檢索的途徑，量子環境卻難以創造和維持。量子比特糾纏通常持續不到一秒就塌縮了。量子比特還對周圍環境高度敏感，必須保存在低溫下。
材料科學與工程研究助理教授Arif Hasan領導了該項研究。其他合著者包括MSE研究助理教授Lazaro Calderin，本科生Trevor Lata，MSE和光學科學教授Pierre Lucas，及MSE系主任、應用數學研究生跨學科項目（applied mathematics Graduate Interdisciplinary Program）成員、BIO5研究所成員Pierre Deymier。該小組與亞利桑那科技發布（Tech Launch Arizona），即亞利桑那大學致力於將研究成果商業化的辦事處合作，為他們的設計申請專利，並投資商業途徑將創新帶到公眾面前。
在經典計算中，信息被儲存為0或1，正如一枚硬幣落地不是正面就是反面。在量子計算中，量子比特卻可以被同時儲存在兩個態上，即所謂的疊加態。想想高速旋轉的立著的硬幣，好像正面和反面可以同時出現。
當量子比特糾纏時，一個量子比特發生的任何事會通過不可分離性（nonseparability）影響著另一個。換句話說，碰倒一枚在旋轉的硬幣，在同一桌子上旋轉的另一枚硬幣也會摔落。非定域性（nonlocality）使粒子即使相距甚遠也能保持聯繫——碰倒一枚旋轉的硬幣，其在宇宙另一端糾纏的對應硬幣也會摔落。糾纏的量子比特形成了Bell 態，即一個集體的任一部分都受著其餘部分影響的狀態。
「這很關鍵，因為如果你只操縱一個量子比特，就能操縱所有的量子比特，」Deymier說道。「在普通計算機中，你有非常多比特的信息被儲存為0或1，你不得不去處理其中的每一個。」
然而，就像硬幣旋轉一樣，量子力學是脆弱的。測量量子態的行為會導致量子塌縮（collapse）或消相干（decohere），就像給旋轉的硬幣拍照就意味著只能捕捉到硬幣的一面。這就是為什麼量子比特態只能在短時間內維持的原因。
但存在一種用量子力學進行數據處理的方法：光學科學家、電子學和計算機工程研究人員證明了可以創造出一種光子（光的單元）系統，它們只展現不可分離性而不存在非定域性。儘管非定域性對一些特定應用如密碼學很重要，但是對量子計算來說重要的其實是不可分離性。而且比起量子Bell態中糾纏的粒子，在經典Bell態中不可分離的粒子更具穩定性。
該材料科學與工程學小組拓展了上述研究，首次證明了經典不可分離性不僅可適用於光波，還適用於聲波。他們利用phi比特，即由可以傳輸聲波和熱的准粒子聲子來組成單元。
雷射和單光子屬於光子學的研究領域，但聲波歸入了聲子學或對聲子的研究下，」Deymier說道，「經典的糾纏聲波不僅穩定，而且易於相互作用和人為操控。」
證明這樣一個複雜概念的材料卻是簡單的，包括三根鋁棒，用來連接它們的足夠的環氧樹脂以及增加彈性的橡皮圈。
研究者向鋁棒發射聲波振動，接著監測波的兩個自由度：波在棒上是向前還是向後運動，和棒如何相對其他棒運動（它們是否以相同的方向和相似的振幅波動）。為了激發系統到不可分離態，他們找出當這兩個自由度相關時的頻率，並以該頻率發射波。結果呢？Bell態出現了。
「所以，我們有了一個具有創造Bell態可能性的聲學系統，」Deymier說道，「這是對量子力學的完全模擬。」
這種可能性的證明，為應用經典不可分離性到新興聲子學領域打開了大門。接下來，研究者將增加可被經典地糾纏的自由度數量——越多越好。他們還想研發算法，利用這些不可分離態去控制信息。
他們計劃改變系統大小，從在桌面上的尺度縮小到微型尺度。系統一旦被成功改進，將被應用在全球數據中心的計算機晶片上。
作者：Emily Dieckman
翻譯：任雨涵
審校：戴晨
引進來源：亞利桑那大學
引進連結：https://phys.org/news/2019-09-soundwaves-big-stability-ease.html
本文來自：環球科學
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